基于慧魚模型的多足爬行機(jī)器人系統(tǒng)研究

張芷瑞，張碩，孫浩，于淇，姬光輝，尹福祿，楊名，劉亞梅

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

在人類發(fā)展史上，生產(chǎn)力和生產(chǎn)水平的提高始終推動(dòng)著運(yùn)載工具的發(fā)展。從手提肩扛到車的發(fā)明，再到火車、飛機(jī)、輪船等一系列運(yùn)載工具的出現(xiàn)，人類始終在運(yùn)載工具的發(fā)明和發(fā)展上不斷探索，使人類的運(yùn)載不再受到高山的限制和汪洋大海的阻隔。目前，世界上陸地運(yùn)載工具主要可以分為輪式機(jī)械、足式機(jī)械、履帶式機(jī)械3種。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有移動(dòng)速度快、效率高、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)移動(dòng)表面要求較高，僅適用于平坦且無(wú)障礙表面[1]；履帶式機(jī)械相較于足式機(jī)械，越障能力更強(qiáng)，但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)動(dòng)性差的問(wèn)題。基于上述情況，科學(xué)家應(yīng)用仿生學(xué)原理，發(fā)明了一類接觸面積更小、越障能力更強(qiáng)的足式機(jī)器人。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)足式機(jī)器人的研究仍處于初步階段，范大川[2]研究了一種新型并聯(lián)腿式六足機(jī)器人，應(yīng)用6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，使其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，并且能完成越障礙和上樓梯等復(fù)雜動(dòng)作；Li Huayang等[3]將基于爬樓能力的六足機(jī)器人進(jìn)行了尺寸設(shè)計(jì)，使足式機(jī)器人的支腿機(jī)構(gòu)與樓梯間的干涉問(wèn)題得以解決；曾宣淇[4]對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行了豎直跳躍研究，使足式機(jī)器人不再局限于行走動(dòng)作，也可進(jìn)行穩(wěn)定跳躍。

本文從慧魚創(chuàng)意組合模型入手，應(yīng)用基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并組裝了一種多足爬行機(jī)器人。該機(jī)器人成本低、仿生效果好、步態(tài)平穩(wěn)。在此基礎(chǔ)上加裝了噴水、切割等多功能機(jī)械結(jié)構(gòu)，可廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。

1 慧魚創(chuàng)意組合模型介紹

慧魚創(chuàng)意組合模型是適用于創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，主要有教學(xué)模型、培訓(xùn)模型、工業(yè)模型三大系列的各種組合包，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件，輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，可以實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過(guò)程的還原，有利于大型機(jī)電設(shè)備正式投產(chǎn)前的模擬再現(xiàn)。此模型有助于提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力[5]。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文開發(fā)的多足爬行機(jī)器人主要包括行走機(jī)構(gòu)、液體噴灑機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)，總體模型如圖1所示。

圖1 機(jī)器人總裝CATIA模型

2.1 行走機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械行走部分采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，輔以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)的三維模型如圖2所示。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，利用齒輪嚙合將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能進(jìn)行能量傳遞。機(jī)器人足部的曲柄安裝在齒輪上，并且間隔安裝，以保證步態(tài)一致。左右兩側(cè)足部結(jié)構(gòu)對(duì)稱。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在齒輪外緣的曲柄做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)曲柄的軸端與腿的T字形桿一端相連，驅(qū)動(dòng)腿部做橢圓運(yùn)動(dòng)。兩側(cè)連接端均以連接點(diǎn)為軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。由于齒輪上曲柄和腿部T字形桿運(yùn)動(dòng)范圍受機(jī)構(gòu)限制，因此直桿的擺動(dòng)范圍也有一定限度。足部T字形桿的設(shè)計(jì)分為兩類：一類是與地面硬接觸的足部T字形桿，此類桿件在運(yùn)動(dòng)時(shí)與地面的靜摩擦力較大，動(dòng)能損失更小，能夠給予機(jī)器人更大的推動(dòng)力；另一類是通過(guò)安裝彈簧實(shí)現(xiàn)與地面軟接觸的T字形桿，此類桿件在與地面接觸時(shí)可以通過(guò)彈簧來(lái)減輕載物臺(tái)的振蕩，從而使載物臺(tái)在機(jī)器人前進(jìn)狀態(tài)下載物更平穩(wěn)，達(dá)到在機(jī)器人行走過(guò)程中進(jìn)行充分減震的目的。在整機(jī)中，共用4套相同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以擴(kuò)大載物臺(tái)的面積并保證機(jī)器人前進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

圖2 行走機(jī)構(gòu)CATIA模型

2.2 液體噴灑機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程經(jīng)常遭受到病菌、害蟲、雜草等生物的侵害[6]，在清潔工作等其他作業(yè)過(guò)程中也有進(jìn)行液體噴灑的需求，因此在載物臺(tái)上方添加了基于慧魚創(chuàng)意組合模型的液體噴灑機(jī)構(gòu)以提高該機(jī)器人的實(shí)用價(jià)值。液體噴灑機(jī)構(gòu)的三維模型如圖3所示。小型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，同步帶機(jī)構(gòu)中的大滑輪驅(qū)動(dòng)同軸的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄與活塞底部相連，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)活塞上下移動(dòng)，將氣體鼓入液體儲(chǔ)存缸，進(jìn)而增大了液體儲(chǔ)存缸內(nèi)的大氣壓強(qiáng)，在氣壓的作用下，液體被壓入導(dǎo)管，并從噴嘴噴出。噴嘴與絲杠導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)的升降機(jī)構(gòu)相連，在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)升降時(shí)，噴嘴上下運(yùn)動(dòng)，從而增大了液體的噴灑范圍。

2.3 切割機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械除草是一種綠色環(huán)保的雜草清除技術(shù)，是最為理想的雜草清除方式之一，同時(shí)，在許多特種作業(yè)中，往往需要將前方障礙物通過(guò)切割的方式進(jìn)行去除。在機(jī)器人載物臺(tái)上添加了可升降的切割機(jī)構(gòu)。切割機(jī)構(gòu)的三維模型如圖4所示。在設(shè)計(jì)中，由于慧魚創(chuàng)意組合模型的零件限制，切割刀具采用扇葉進(jìn)行替代。為保證切除的充分性和工作效率，在已有的行走機(jī)構(gòu)前進(jìn)（后退）的自由度基礎(chǔ)上，應(yīng)用由齒輪齒條組成的十字滑臺(tái)添加了水平移動(dòng)和上下移動(dòng)兩個(gè)自由度，以此來(lái)擴(kuò)大切割的范圍。

圖4 切割機(jī)構(gòu)CATIA模型

3 電氣控制部分設(shè)計(jì)

3.1 工作流程設(shè)計(jì)

基于上述機(jī)械結(jié)構(gòu)和預(yù)想的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)并梳理出圖5所示的機(jī)器人工作流程圖。機(jī)器人上電，工作開始，首先要確定本次工作要執(zhí)行的任務(wù)是載物、切割還是液體噴灑。如果是載物，則要通過(guò)電氣控制，確定運(yùn)載的方向；如果是切割，則需要在工作前確定待切割物體所在位置，通過(guò)循跡定位、滑臺(tái)微調(diào)，確定位置后電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)切割粉碎障礙物；如果是噴灑，前期定位工作流程與切割相似，只需在后期對(duì)氣缸進(jìn)行電氣控制，將氣體壓入儲(chǔ)液缸，以增大氣壓，進(jìn)行液體噴灑。

圖5 機(jī)器人工作流程圖

3.2 電路設(shè)計(jì)

控制器的選擇恰當(dāng)與否、是否與其功能相匹配、電路設(shè)計(jì)是否科學(xué)是影響機(jī)器人正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。在本機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)用到最多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)便是電動(dòng)機(jī)，而單片機(jī)在工控中的應(yīng)用便是實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的精確控制[7]，故依據(jù)單片機(jī)原理，應(yīng)用機(jī)電接口技術(shù)[8]，采用MCS-51單片機(jī)輔以額定電壓為9 V的電動(dòng)機(jī)，對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行電氣控制。機(jī)器人的控制電路如圖6所示。使用單片機(jī)的兩個(gè)I/O腳控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。其中P2.6腳輸出PWM信號(hào)以控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，P2.7腳用來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。圖6中的驅(qū)動(dòng)電路使用了NPN低頻、低噪聲小功率達(dá)林頓管2SC2547。當(dāng)P2.6=1時(shí)，P2.7發(fā)送PWM信號(hào)，直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)P2.6=0時(shí)，P2.7發(fā)送PWM信號(hào)，直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。通過(guò)調(diào)整直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)器人前進(jìn)和后退的速度得以控制，通過(guò)調(diào)整直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，使機(jī)器人的行進(jìn)方向得以靈活選擇，更加提升了機(jī)器人工作的靈活性和實(shí)用性。

圖6 機(jī)器人電路圖

3.3 程序設(shè)計(jì)

基于3.1節(jié)中所述的工作流程和3.2節(jié)中所述的電路原理，應(yīng)用KeiluVision4編譯器對(duì)該電路進(jìn)行程序編寫和控制。機(jī)器人的程序控制思路可用圖7所示的流程圖清晰表示。首先對(duì)接口定義,定義P2.6控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，P2.7產(chǎn)生PWM波，然后通過(guò)確定電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的時(shí)間來(lái)對(duì)機(jī)器人前進(jìn)與后退的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。在程序編寫中，通過(guò)判斷語(yǔ)句使電動(dòng)機(jī)判斷是否到達(dá)預(yù)定的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)間，若到達(dá)，則回到信號(hào)發(fā)射周期的起始位置繼續(xù)發(fā)射高電平或低電平，使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)循環(huán)工作，若電動(dòng)機(jī)未達(dá)到指定時(shí)間，則需要繼續(xù)完成該項(xiàng)工作。

圖7 程序設(shè)計(jì)思路

4 實(shí)物樣機(jī)調(diào)試

根據(jù)圖1所示的CATIA三維模型，對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)物組裝和樣機(jī)調(diào)試，機(jī)器人實(shí)物如圖8所示。調(diào)試過(guò)程中在空載狀態(tài)下機(jī)器人依照預(yù)先設(shè)計(jì)的行走步態(tài)走完了預(yù)想的軌跡。在機(jī)器人載物臺(tái)上加上了適量的載荷，機(jī)器人也能夠走完預(yù)想的軌跡。將機(jī)器人放在不同地形的模擬沙盤上，機(jī)器人也能夠完成行走，且載物臺(tái)平穩(wěn)，不發(fā)生顛簸。同時(shí)，在調(diào)試中，為了驗(yàn)證液體噴灑機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)的工作性能，同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)的安全性，在儲(chǔ)液缸內(nèi)加入了自來(lái)水，通電后在電氣控制下，液體能夠順利噴灑；將假草平鋪在地面上來(lái)模擬待切割的物體，通電后電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)扇葉所替代的“切割刀”旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有受到“切割物”的阻礙。實(shí)物調(diào)試的成功，進(jìn)一步驗(yàn)證了所開發(fā)的多足爬行機(jī)器人系統(tǒng)滿足了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

圖8 機(jī)器人實(shí)物圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于慧魚創(chuàng)意組合模型，設(shè)計(jì)了一種多足爬行機(jī)器人系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中充分考慮了機(jī)器人的機(jī)械特性和實(shí)用價(jià)值。應(yīng)用了CATIA三維建模軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用AutoCAD軟件和MCS-51單片機(jī)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。此后又應(yīng)用慧魚創(chuàng)意組合模型的零件對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了搭建，對(duì)機(jī)器人的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了電路連接和程序編寫。最后進(jìn)行了通電測(cè)試，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了預(yù)想的結(jié)構(gòu)與功能。目前該模型還停留在慧魚創(chuàng)意組合模型階段，但是在自動(dòng)化、智能化的大趨勢(shì)和大背景下，該機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念和工作原理值得推廣，在載物臺(tái)上方更換不同的機(jī)械系統(tǒng)使之應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，或者應(yīng)用理論力學(xué)、材料力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的相關(guān)原理，對(duì)機(jī)器人的材料性能、機(jī)械特性進(jìn)行更精準(zhǔn)、更科學(xué)的評(píng)估和改良。